《Environmental Toxicology and Pharmacology》：Molecular mechanisms of cadmium-induced impairment of growth and muscle quality in
Labeo rohita revealed by transcriptome analysis
编辑推荐：
镉暴露导致罗非鱼肌肉镉积累、氧化应激及能量代谢紊乱，转录组分析揭示高浓度下更多基因失调，验证显示ATP水平下降与肌肉质量降低相关。
阿耶莎·贝古姆（Ayesha Begum）、戈拉姆·拉巴内（Md. Golam Rabbane）、长学秀（Xuexiu Chang）、莫克塞杜尔·莫明（Md. Moksedul Momin）
应用食品科学与营养系，查图格拉姆兽医与动物科学大学，查图格拉姆 -4225，孟加拉国
摘要
镉（Cd）是一种普遍存在的环境污染物，对水生生物具有不良影响。我们之前的研究表明，环境相关浓度的氯化镉（CdCl?）（0.05和0.40毫克/升）会导致Labeo rohita鱼肌肉中镉的显著积累，增加氧化应激，并损害其生长和肌肉质量。进一步的转录组分析显示，在0.05和0.40毫克/升的CdCl?浓度下，分别有1,391和1,415个差异表达基因（DEGs），较高浓度下基因失调更为明显。GO富集分析突出了“细胞部分”功能的紊乱，而KEGG通路富集分析显示关键DNA修复和代谢通路受到抑制。与生长、氧化应激和营养代谢相关的DEGs发生了显著变化，表明能量产生和线粒体功能受损。不良结果通路框架将这些分子变化与生长和肌肉营养素的减少联系起来。RT-qPCR验证证实了转录组结果，强调了镉在水生环境中的生态和健康风险。
引言
重金属的广泛存在是一个严重的全球环境问题，因为它们具有毒性、不可生物降解性和致癌潜力，所有这些都对人类健康和水生生态构成重大风险（Ahmadijokani等人，2022年）。来自各种人为和自然来源的镉（Cd）污染（Hama Aziz等人，2023年）会导致水生生物的细胞功能障碍、代谢改变和生态失衡（Kumar等人，2024年；Xu等人，2024年）。在鱼类中，镉会强烈结合到肌肉蛋白质上，导致显著的生物积累和环境持久性（Samantara等人，2023年）。在中国北江（Huang和Li，2007年）和达卡的灌溉水中（Ahmed和Goni，2010年）观察到了升高的镉水平（0.05毫克/升），特别是在像孟加拉国这样的发展中国家（Jolly等人，2021年）。在孟加拉国的河流中检测到极高的镉浓度，包括图拉格河（Turag River）中的高达17毫克/千克（Rahman等人，2013年；Sikder等人，2016年）。
近年来，由于鱼类独特的营养价值，尤其是其高蛋白质、脂肪和不饱和脂肪酸含量，鱼类消费越来越受欢迎，这些成分对维持良好的健康状况和预防退行性疾病至关重要。鱼类的生长和肌肉质量受到多种因素的影响，包括生理生长动态和营养价值（Lin等人，2021年；Asadi等人，2021年；Jiang等人，2021年）。我们之前发表的研究结果表明，CdCl?的毒性与Labeo rohita鱼中氧化应激的增加、生长减缓、肌肉蛋白质和脂质含量的降低有关（Begum等人，2025年）。此外，生长特征和肌肉质量受到参与生长代谢、蛋白质合成和脂质代谢的基因的强烈影响。这些营养素及相关基因的适当调节确保了最佳的生长、质地和营养价值，这是鱼类健康和水产养殖成功的关键。在生长基因的影响下释放的生长激素和生长激素分泌受体（GHSRs）在生长代谢中起着关键作用（Yin等人，2014年）。此外，氧化应激是由于活性氧（ROS）的产生与抗氧化防御之间的不平衡引起的，影响多个线粒体基因，导致肌肉ATP（三磷酸腺苷）水平下降以及蛋白质和脂肪含量减少（Duggan等人，2011年）。
研究表明，金属暴露会下调参与蛋白质生物合成、脂质代谢和能量代谢的基因。此外，来自不同物种的转录组数据揭示了应对环境压力因素的关键生物通路（Zhao等人，2012年；Mun等人，2017年）。少数报告强调了镉暴露对Oreochromis niloticus幼体的生长因子和抗氧化防御的长期有害影响，以及普通鲤鱼头部和肾脏的免疫抑制（Zhang等人，2017年；Hu等人，2021年）。镉还在海洋生物中积累，导致甲壳类动物如Sinopotamon henanense（Sun等人，2016年）和Eriocheir sinensis（Tang等人，2020年）发生快速基因变化。关于毒理机制的研究表明，氧化应激导致细胞信号传导紊乱、细胞功能障碍和最终死亡，以及对细胞内营养物质和遗传元素的氧化损伤（Costantini，2019年；Grilo和Mantalaris，2019年）。这些数据阐明了镉污染的物理化学和分子机制，这些机制直接影响各种鱼类的器官。然而，这些研究缺乏对生长率和肌肉质量的详细转录组分析，没有考虑与生长、线粒体功能和ATP测量相关的基因。线粒体是能量的重要来源（ATP），为细胞功能提供动力，并产生活性氧（ROS）。此外，线粒体功能在代谢需求高的骨骼肌中尤为重要，骨骼肌约占体重的40%，并且严重依赖于线粒体活动（Murphy和Steenbergen，2020年；Xiao等人，2021年）。在这项研究中，我们利用转录组学来识别由于CdCl?暴露而导致的不良后果通路，这些通路阻碍了该物种的生长和肌肉质量的下降。通过分析与线粒体功能相关的基因以及其他相关基因，我们绘制了一个不良结果通路（AOP）图，展示了CdCl?如何影响Labeo rohita鱼的生长、ATP水平的下降和肌肉营养素。我们假设CdCl?的毒性可能通过分子变化和线粒体功能障碍导致生长模式下降和肌肉质量下降。
Labeo rohita，通常被称为Rohu，是东南亚淡水养殖中的一个重要物种，特别是在孟加拉国，那里包括这种鱼在内的鲤鱼混养已经显著增长。这种方法对收入生成和食品安全至关重要，贡献了超过一半的鱼类消费量，并满足了日常蛋白质需求（Hossain等人，2019年）。这种鱼对水污染的敏感性也比其他鱼类和螃蟹更高（Selvam等人，2014年）。因此，为了更好地了解环境污染的有害影响并通过可食用肌肉的生物监测检测污染物暴露的早期迹象，全面评估与生长和肌肉质量相关的细胞毒性通路是必要的。此外，关于CdCl?在转录水平上对生长和肌肉质量恶化的分子机制的复杂性以及相关生长和线粒体功能相关基因表达和ATP稳态的研究还不够充分。因此，我们试图采用结合ATP测量和基因组学的综合方法来分析这种鱼中CdCl?的毒性。使用Illumina RNA测序平台对转录组进行了测序、组装和功能注释，以表征与CdCl?暴露相关的基因表达谱。随后通过定量实时PCR验证了与生长调节和线粒体功能相关的差异表达基因。这种综合转录组学方法提供了CdCl?诱导毒性的机制洞察，并为评估Labeo rohita的生长表现、肌肉质量和整体健康状况建立了分子基础。
实验设计：鱼类饲养、镉暴露和采样
Labeo rohita（平均体重11.21 ± 1.37克，n=300条）从孟加拉国迈门辛格的Anando鱼场获得，并运送到达卡大学渔业系的“Urban Aqua Farm 2”。鱼类在连续通气的条件下（型号RS-348A；中国制造）和12小时光照/12小时黑暗的光周期下适应了14天。选择了健康、大小相似的鱼苗，并通过条形码分析确认了物种身份（Lopez-Vaamonde等人，2021年）（补充表S1）。程序如下
鱼肌肉中的ATP水平
氯化镉暴露显著降低了鱼肌肉组织中的ATP水平。在最高浓度0.40毫克/升时，ATP含量显著下降至131.02 ± 16.28微摩尔/克蛋白质，而对照组在0.00毫克/升时的ATP含量为247.44 ± 1.92微摩尔/克蛋白质，差异在统计学上显著（p < 0.05）。这种明显的ATP浓度下降表明CdCl?暴露后细胞能量代谢和肌肉功能受到严重破坏。
讨论
尽管之前对鱼肌肉组织中镉的生物积累研究较少，但其生物积累即使没有表现出任何临床症状，也可能引起显著的生理和分子紊乱（Gupta等人，2009年）。肌肉组织特别容易受到镉诱导的信号转导通路和转录调控的改变，从而破坏细胞稳态和功能完整性（Peng等人，2024年）。我们之前的研究
结论
总之，我们的研究提供了关于环境现实条件下镉污染对商业价值高的Labeo rohita鱼的全面分子特征描述。它证明了镉对其生长特征和肌肉营养代谢的不利影响，这一点得到了转录组和基因表达分析的支持。在CdCl?暴露的肌肉组织中，大多数差异表达基因都下调，表明镉的毒性对鱼的生理过程具有不利影响。
资助信息
本研究得到了云南省科学技术厅（2019FA043）、国家自然科学基金（NSFC）（U1902202）以及云南高原湖泊和劳伦蒂安五大湖国际联合创新团队的资助（授予长学秀）。
未引用的参考文献
(Ahmad和Goni，2010年；Liu等人，2022年；Lopez-Vaamonde等人，2021年；Tee和Peppelenbosch，2010年)
伦理声明
达卡大学生物科学系为本研究提供了伦理批准（参考编号157/Biological Science）。实验动物的护理和使用符合达卡大学动物福利法律和政策的批准规定。
CRediT作者贡献声明
长学秀（Xuexiu Chang）：写作 – 审稿与编辑、监督、资金获取、概念构思。
阿耶莎·贝古姆（Ayesha Begum）：写作 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、方法学、调查、正式分析、数据管理、概念构思。
戈拉姆·拉巴内（Rabbane Md Golam）：写作 – 审稿与编辑、正式分析。
莫克塞杜尔·莫明（Md. Moksedul Momin）：写作 – 审稿与编辑、可视化、正式分析。
利益冲突声明
作者声明，本研究的工作、资金、作者身份或出版物不存在任何利益冲突。我确认我没有可能影响本研究结果或解释的财务、个人或专业关系。
此声明旨在确保科学知识的传播具有透明度、客观性和完整性。
致谢
我们衷心感谢达卡大学渔业系前主任Monirul Islam教授的合作。我们还要感谢达卡大学的植物学系提供的实验室支持，以及孟加拉国科学和工业研究委员会生物研究部的基因组研究实验室和中国Sangon Biotech有限公司的实验室支持。
利益冲突披露
作者声明没有
